DEM数据获取教程-城市与区域规划空间分析实验教程第2版

DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）是地球表面在特定投影平面上按照一定的水平间隔选择地面点的三维坐标集合，是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。

DEM有规则网络结构和不规则三角网（Triangular Irregular Network，TIN）两种算法。目前常用的算法是TIN，然后在TIN基础上通过线性和双线性内插可以构建DEM。用规则方格网高程数据记录地表起伏的主要优点是（X，Y）位置信息可隐含，无需全部作为原始数据存储，且数据处理比较容易，但缺点是数据采集较麻烦，且因网格点不是特征点，一些微地形可能没有记录。TIN结构数据的主要优点是能以不同层次的分辨率来描述地表形态，与格网数据模型相比，TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空间和时间更精确地表示更加复杂的表面，特别当地形包含有大量特征如断裂线、构造线时，TIN模型能更好地顾及这些特征，但其缺点也比较明显，就是数据结构复杂，不便于规范化管理，难以与矢量和栅格数据进行联合分析。

　说明2-3：建立DEM的主要方法简介

建立DEM的方法有多种。从数据源及采集方式角度来看主要有：

（1）直接从地面测量，例如用GPS、全站仪、野外测量等。

（2）根据航空或航天影像，获取同一地区的立体像对，通过影像匹配，自动相关运算识别同名像点得其像点坐标，再经过摄影测量解算得到地面物体的空间三维坐标，从而获得DEM数据。

（3）从现有地形图上采集，即将现有地形图扫描矢量化等高线，经过扫描、自动矢量化、内插DEM等一系列处理，以得到DEM数据。DEM内插方法很多，主要有整体内插、分块内插和逐点内插三种。

DEM应用可转换为等高线图、坡度图、坡向图、透视图、断面图以及其他专题图等表现地形特征的数字产品，也可以按照用户的需求计算出体积、空间距离、表面覆盖面积等工程数据和统计数据。

尽管DEM是为了模拟地面起伏而开始发展起来的，但也可以用于模拟其他二维表面的连续高度变化，如气温、降水量等。对于一些不具有三维空间连续分布特征的地理现象，如GDP、投资强度、人口密度等，从宏观上讲，也可以用DEM来进行表示、分析和计算，这为城市与区域规划中的社会经济空间的分析提供了良好的分析平台和表现形式，我们会在后面的规划研究区经济地理空间格局分析的实验中演示与体会这一具体应用。

对于城市与区域规划而言，通常会采用获取免费DEM数据和获取研究区地形图并加以内插获取DEM两种方式。受规划研究区尺度差异的影响，用户通常获取的大比例尺地形图（例如1∶5 000、1∶2 000等）多为CAD格式，而小比例尺地形图（例如1∶50 000、1∶250 000等）则多为ArcGIS的Shapefile格式。

1）免费DEM数据获取

▷　步骤1：登陆“地理空间数据云”服务平台网站。

与前面TM／ETM免费数据的获取方式基本一致，首先登陆中国科学院计算机网络信息中心“地理空间数据云”网站（图2-1，图2-2），网址：http：／／www.gscloud.cn／，该网站提供SRTM、GDEM两种DEM数据的检索查询和下载（图2-56）。

图2-56　“地理空间数据云”平台网站提供的两种DEM数据检索

　说明2-4：全球两种免费DEM数据简介

（1）GDEM：利用ASTER GDEM第一版本（V1）数据加工得到的全球空间分辨率为30m的数字高程数据产品。由于云覆盖，边界堆叠产生的直线、坑、隆起、大坝或其他异常等的影响，ASTER GDEM第一版本原始数据局部地区存在异常，所以由ASTER GDEM V1加工的数字高程数据产品存在个别区域的数据异常现象，用户在使用过程中需要注意。该全球30m的数字高程数据产品可以和全球90m分辨率数字高程数据产品SRTM互相补充使用。数据时期：2009年；数据格式：IMG；投影：UTM／WGS84。

（2）SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）：由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量。2000年2月11日，美国发射的“奋进”号航天飞机上搭载了SRTM系统，获取了北纬60°至南纬60°之间的雷达影像数据，覆盖地球80%以上的陆地表面，制成了SRTM数字地形高程数据产品。此数据产品2003年开始公开发布，经历多次修订，数据按精度可以分为SRTM1和SRTM3，分别对应的分辨率精度为30m和90m（目前公开数据为90m分辨率）。

▷　步骤2：进行数据检索与下载。

检索过程与TM／ETM数据检索类似。只需点击网站菜单条上的“高级检索”，选择上杭县范围后，在数据集中勾选“DEM数字高程数据”，并可从中选择“GDEM DEM”、“SRTM DEM”等多类数据进行检索（图2-57）。无论是哪一个数据集，都只有两景数据符合检索条件。本实验中，选择检索到的“GDEM DEM”两景数据进行下载（路径为shiyan02文件夹下）。

下载后，解压缩DEM数据文件，数据文件的格式为IMG文件格式。

图2-57　上杭县域DEM检索条件与数据集

2）用CAD格式地形图数据制作DEM

本实验仅以上杭县城CAD地形图（shanghangcity.dwg）为例来说明当用户现状调研获取CAD格式的地形图时，如何进行高分辨率DEM的制作。另外，通常CAD数据格式与GIS数据的空间参照并不匹配，因此，需要首先进行CAD数据与规划研究区GIS数据的匹配，并进行数据格式的转换等（参见2.3节中的相关介绍）。本例直接使用已经配准、格式转换和定义投影后的chengquline.shp和chengqupoint.shp数据文件。

图2-58　“按属性选择”对话框(www.xing528.com)

▷　步骤1：打开ArcMap，加载CAD地形图数据文件，提取等高线和高程点文件。

由于CAD数据存储时可能有错分层、数据输入等错误，用户首先需要对chengquline.shp和chengqupoint.shp数据的准确性进行检查。通过打开图层的属性表并按照“Elevation”字段进行排序，可以发现该字段中有很多0值和奇异值，通过该字段大致可以判断规划研究区域内的海拔在［173～422m］，且图层DGX为等高线图层。

在ArcMap窗口中，点击菜单栏上的“选择”—“按属性选择”，弹出“按属性选择”对话框（图2-58）。图层栏为“chengquline”，方法为“创建新选择内容”，在其下方的字段显示窗口中，双击选择“Elevation”字段，该字段将放置在下方的窗口栏中，再选择输入“"Elevation"＞173AND"Elevation"＜422AND"Layer"＝′DGX′”。然后，点击“验证”按钮，已成功验证表达式，说明表达式正确，最后点击“确定”按钮，执行按属性选择工具。这时所选要素（规划研究区的等高线）在视图窗口中高亮显示。

图2-59　“导出数据”对话框

然后，鼠标右键点击内容列表中的chengquline数据图层，弹出图层快捷菜单，点击选择“数据”—“导出数据”，弹出“导出数据”对话框（图2-59），将所选要素导出为denggaoxian.shp文件（文件存放在shiyan02文件夹下）。

另外，使用同样的方法和步骤，将chengqupoint.shp数据文件中的高程点数据选取并导出，得到gaochengdian.shp数据文件。按属性选择时，输入的检索条件为“"Elevation"＞184AND"Elevation"＜487AND"Layer"＝′GCD′”。

▷　步骤2：由等高线、高程点数据文件生成TIN。

首先，在ArcMap中查看“3D Analyst”扩展模块是否激活。如果没有激活，点击菜单栏中的“自定义”—“扩展模块”，弹出“扩展模块”对话框，选中“3D Analyst”模块；在工具栏空白区域鼠标右键点击打开快捷菜单，点击选择“3D Analyst”工具，将3D Analyst工具条加载到窗口中。

图2-60　“创建TIN”对话框

然后，点击打开ArcToolbox工具箱，点击“3D Analyst工具”—“数据管理”—“TIN”—“创建TIN”，弹出“创建TIN”对话框（图2-60）。在“输出TIN”栏中设置输出TIN文件的名称（chengqutin）和路径（shiyan02文件夹下），“坐标系”通过图层中查找到与gaochengdian.shp或denggaoxian.shp文件一致的空间参考即可，“输入要素类”中将gaochengdian.shp或denggaoxian.shp文件分别加入，并将“高度字段”设置为“Elevation”。设定三角网特征输入方式（SF type），有三种可供选择：mass point，hard line，soft line。mass point（采样点）：不规则分布的采样点，由X、Y、Z值表示，它是建立三角网的基本单位，在定义三角网面时，每一个mass point都非常重要。每一个mass point的位置都是仔细选择以获得表面形态的重要参数。hard line（硬断线）：表示表面上突然变化的特征线，如山脊线、悬崖及河道等。在创建TIN时，硬断线限制了插值计算，它使得计算只能在线的两侧各自进行，而落在隔断线上的点同时参与线两侧的计算，从而改变TIN表面的形状。soft line（软断线）：添加在TIN表面上用以表示线性要素但并不改变表面形状的线，它不参与创建TIN。本例选择hard line，其他参数使用默认值。

最后，点击“确定”按钮，执行创建TIN命令，生成chengqutin文件（图2-61）。

另外，还可以打开TIN文件的“图层属性”对话框，选择“符号系统”选项（图2-62），并将“边类型”和“高程”前面复选框中的对号去掉；然后，点击“添加”按钮，弹出“添加渲染器”对话框（图2-62），可以编辑增加TIN的渲染方式，来显示坡度、坡向、三角网等，这里分别选择“具有相同符号的边”和“具有相同符号的结点”，点击“添加”按钮，该渲染要素加入“显示”栏中；最后，在“图层属性”对话框中点击“确定”按钮，TIN文件的渲染方式已经改变。在ArcMap的内容列表中，将TIN图层局部放大，可以帮助用户理解TIN的存储模式及显示方式（图2-63）。

图2-61　创建的TIN文件

图2-62　“图层属性”与“添加渲染器”对话框

图2-63　调整渲染方式后TIN的显示方式

▷　步骤3：由TIN生成DEM数据。

首先，点击打开ArcToolbox工具箱，点击“3D Analyst工具”—“转换”—“由TIN转出”—“TIN转栅格”，弹出“TIN转栅格”对话框（图2-64）。选择“输入TIN”文件为chengqutin；确定“输出栅格”的路径（shiyan02文件夹下）和名称（dem2m）；“输出数据类型（可选）”有浮点型和整型两种，默认为“FLOAT浮点型”；“方法（可选）”有两种，LINEAR是通过使用TIN三角形的线性插值法计算像元值，NATURAL-NEIGHBORS是通过使用TIN三角形的自然邻域插值法计算像元值，LINEAR是默认情况；“采样距离（可选）”有两种方法，OBSERVATIONS 250是输出栅格的最长尺寸上的像元数，将对像元大小产生影响，像元数越多，像元越小，CELLSIZE是直接定义输出栅格的大小，本例中设置为2m，其他设置采用默认设置。

图2-64　“TIN转栅格”对话框

最后，点击“TIN转栅格”对话框中的“确定”按钮，执行TIN转栅格命令，生成dem2m文件（GRID格式）。

TIN数据转换为GRID数据后，数据文件明显变小，这使得进行地形相关分析更为便捷。